中国科学院高能物理研究所东莞研究部殷雯研究员团队充分发挥中子束双重硬核能力——高能中子辐照实现材料体内无创结构重构，中子散射技术实现原子尺度微观结构精准“透视”解析，依托中国散裂中子源大气中子辐照谱仪（CSNS‑ANIS）和多物理谱仪（CSNS-MPI），对单晶高镍NCM正极开展原创性研究，该成果以“A High‑Nickel Cathode Material for Lithium‑Ion Batteries Integrating a Proposed 3D Ionic Percolation Network and Interwoven Layered/Rock‑Salt Nanodomains”为题发表于国际顶级期刊《J. Am. Chem. Soc.》。

高镍单晶正极材料能有效解决多晶材料易开裂、副反应严重的问题。但大尺寸单晶缺乏晶界，导致锂离子扩散路径过长，在深度脱锂时极易发生结构滑移，使材料陷入“高容量与高稳定性难以兼得”的瓶颈。常规改性方法往往局限于材料表面，难以深入颗粒内部破局。

高能中子不带电荷且穿透能力强，不同于离子束、电子束仅能作用于材料表层，快中子辐照能够深入单晶颗粒体相与晶格原子发生级联碰撞，殷雯团队应用CSNS-ANIS的高能快中子对单晶NCM颗粒进行辐照，并结合CSNS-MPI的中子粉末衍射（NPD）与对分布函数（nPDF）分析，精确捕捉到中子引发高镍正极长程Li/Ni反位无序及短程金属-氧八面体畸变。借助中子最大熵法（MEM），证实了辐照后材料晶胞内部锂离子迁移通道连通性显著增强。

这种中子“穿针引线”式的辐照重构，将原本致密的单晶内部诱发出丰富晶界与交织的“层状/岩盐”纳米畴。研究团队据此提出机制：晶界网络构建了“三维锂离子渗流网络”，如同为离子修建了立体快速通道；而交织的岩盐相纳米畴则充当“结构铆钉”，有效抑制不可逆相变。

得益于这一双功能架构，重构后的正极材料（NCM-N）实现了性能跃升：0.2C倍率下放电比容量高达213.9 mAh/g；即使在10C超高倍率下仍保持152.2 mAh/g；5C快充循环450圈后容量保持率高达80.0%，远超原始单晶的64.2%。软包全电池测试进一步证实该策略在实际储能器件中的应用潜力。

该研究率先提出高能中子辐照重构高镍正极的新策略，兼顾比容量与循环寿命，充分彰显了CSNS大科学装置在新能源材料复杂微观结构表征与调控中的不可替代作用。未来，团队将继续依托CSNS，推动下一代高比能电池材料的实用化进程。

本研究工作得到东莞市先进核装备重点实验室、国家自然科学基金、中国科学院战略先导专项、宁波市全固态电池重点实验室的支持。中国科学院高能物理研究所、散裂中子源科学中心为论文的第一完成单位。东莞研究部博士后王军为论文第一作者。殷雯研究员、陈怀灿副研究员和中国科学院化学研究所曹安民研究员、中国科学院大学张思东副研究员为论文共同通讯作者。

（相关工作链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c14375）

图1：高能中子辐照驱动高镍单晶正极重构（NIDR）示意图

图2：重构正极的形貌与中子衍射精细结构分析

图3：重构正极的中子PDF及局域结构畸变的定量解析